The conversıon of ethanol to acetone on a ZnO-CaO catalyst in the presence of water vapor

• Autorzy: Baghirova Narqiz N. , Mustafayeva Rena E.

Identyfikatory

DOI

10.18668/NG.2023.10.07

Warianty tytułu

PL

Konwersja etanolu do acetonu na katalizatorze ZnO-CaO w obecności pary wodnej

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The main product of the conversion of ethanol to acetone on a ZnO-CaO catalyst is acetone, the yield of which strongly depends on the composition of the reaction environment. When oxygen is present, the yield of products of destructive and complete oxidation increases greatly. In contrast, when water vapor is present, both the selectivity and conversion of ethanol increase. Therefore, the conversion of ethanol is the limiting step in the overall process, which determines the selectivity of the conversion of ethanol to acetone. In this regard, it appeared suitable to investigate the effect of introducing water to the contact zone. As experiments indicated, the addition of water caused a significant effect on the conversion, selectivity, and acetone yield on the ZnO-CaO catalyst. As the partial pressure of water vapor increases, the conversion of ethanol and the acetone yield increase, while the yield of carbon dioxide decreases. The decrease in carbon dioxide is associated not only with the inhibition of the conversion of ethanol to CO2. In this study, the adsorption of water vapor and ammonia on the surface of the ZnO-CaO catalyst was examined by infrared spectroscopy method. It has been shown that water vapor at low temperatures is adsorbed on the catalyst surface in the molecular form, while at higher temperatures it is adsorbed in the dissociative form. Co-transformation reactions of ethanol with acetic acid, acetaldehyde with ethylene, and acetaldehyde with acetic acid have been studied. The obtained results indicated that acetone is formed mainly through the stage of complexation of acetaldehyde with ethylene. The isomerization reaction of 1-butene to 2-butene has been investigated. It was found that the yield of cis-2-butene in the absence of water vapor is higher, likely attributed to the molecular adsorption of water on Lewis centers. Based on these findings, a scheme for the vapor-phase conversion of ethanol into acetone on the studied catalysts was formulated.

PL

Głównym produktem konwersji etanolu do acetonu na katalizatorze ZnO-CaO jest aceton, którego wydajność silnie zależy od składu środowiska reakcji. W obecności tlenu znacznie wzrasta wydajność produktów destrukcyjnego i całkowitego utlenienia. Natomiast w obecności pary wodnej wzrasta selektywność i konwersja etanolu. Dlatego konwersja etanolu jest etapem ograniczającym w całym procesie, który określa selektywność konwersji etanolu do acetonu. W związku z tym celowe wydawało się zbadanie wpływu domieszek wody do strefy kontaktu. Jak wykazały doświadczenia, dodatek wody miał istotny wpływ na konwersję, selektywność i wydajność acetonu na katalizatorze ZnO-CaO. Wraz ze wzrostem ciśnienia cząstkowego pary wodnej wzrasta konwersja etanolu i wydajność acetonu, podczas gdy wydajność dwutlenku węgla maleje. Spadek dwutlenku węgla jest związany nie tylko z hamowaniem konwersji etanolu do CO2. W niniejszej pracy metodą spektroskopii w podczerwieni badano adsorpcję pary wodnej i amoniaku na powierzchni katalizatora ZnO-CaO. Wykazano, że para wodna w niskich temperaturach jest adsorbowana na powierzchni katalizatora w postaci cząsteczkowej, natomiast w wyższych temperaturach jest adsorbowana w postaci dysocjacyjnej. Zbadano reakcje kotransformacji etanolu z kwasem octowym, aldehydu octowego z etylenem i aldehydu octowego z kwasem octowym. Uzyskane wyniki wykazały, że aceton powstaje głównie na etapie kompleksowania aldehydu octowego z etylenem. Zbadano reakcję izomeryzacji 1-butenu do 2-butenu. Stwierdzono, że wydajność cis-2-butenu w nieobecności pary wodnej jest większa, co prawdopodobnie wynika z molekularnej adsorpcji wody na centrach Lewisa. Na podstawie uzyskanych wyników zaproponowano schemat przemiany etanolu do acetonu w fazie gazowej na badanych katalizatorach.

Słowa kluczowe

EN

catalyst; acetone; ethanol; adsorption; acetaldehyde; water; vapor; spectroscopy; method; 1-butene; 2-butene; Lewis centers

PL

katalizator; aceton; etanol; adsorpcja; aldehyd octowy; woda; para; spektroskopia; metoda; 1-buten; 2-buten; centrum Lewisa

• Wydawca: Instytut Nafty i Gazu - Państwowy Instytut Badawczy
• Czasopismo: Nafta-Gaz
• Rocznik: 2023
• Tom: R. 79, nr 10
• Strony: 684--689
• Opis fizyczny: Bibliogr. 9 poz., rys.

Twórcy

autor

Baghirova Narqiz N.

• Azerbaijan State Oil and Industry University

autor

Mustafayeva Rena E.

• Azerbaijan State Oil and Industry University

Bibliografia

• Alalwan H.A., Augustine L.J., Hudson B.G., Abeysinghe J.P., Gillan E.G., Mason S.E., Grassian V.H., Cwiertny D.M., 2021. Linking solid-state reduction mechanisms to size-dependent reactivity of metal oxide oxygen carriers for chemical looping combustion. ACS Applied Energy Materials, 4(2): 1163–1172.
• Anikeev V.I., Yermakova A., Manion J., Huie R., 2004. Kinetics and thermodynamics of 2-propanol dehydration in supercritical water. The Journal of Supercritical Fluids, 32(1-3): 123–135.
• Baghirova N.N., 2020. Influence of temperature and contact time of the process of converting ethanol to acetone. Azerbaijan Journal of Chemical News, 17(2):18–23.
• Baghirova N.N., 2021. Effect of the partial pressure of water vapor on conversion of ethanol to acetone. Proceedings of Azerbaijan Higher Technical Educational Institutions, 22(6): 65–68.
• Llorca J., de la Piscina P.R., Sales J., Homs N., 2001. Direct production of hydrogen from ethanolic aqueous solutions over oxide catalysts Dedicated to Professor Rafael Usón on the occasion of his 75th birthday. Chemical Communications, (7): 641–642.
• Mikayilova M.R., Mustafayeva R.E., 2020. The Properties of Macrocyclic Complexes of Ruthenium. [In:] Votyakov S., Kiseleva D., Grokhovsky V., Shchapova Y. (eds) Minerals: Structure, Properties, Methods of Investigation. Springer Proceedings in Earth and Environmental Sciences. Springer, Cham. DOI:10.1007/978-3-030-00925-0_22.
• Mohammed Ali N.S., Alalwan H.A., Alminshid A.H., Mohammed M.M., 2022.Synthesis and Characterization of Fe3O4-SiO2 Nanoparticles as Adsorbent Material for Methyl Blue Dye Removal from Aqueous Solutions. Pollution, 8(1):295-302. DOI:10.22059/POLL.2021.328697.1157.
• Mustafayeva R.E., 2022. Study of the optimal conditions for the oxidation of propylene to acetone. Scientific knowledge of the present. International Scientific Journal of the Society for Science and Creativity, 10(2):18–20.
• Salge J.R., Delugo G.A., Schmidt L.D., 2005. Catalytic partial oxidation of ethanol over noble metal catalysts Journal of Catalysis. Journal of Catalysis, 235(1):69-78. DOI: 10.1016/j.jcat.2005.07.021.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2024).